【种花家务·物理】4-09-04原子的人为嬗变『数理化自学丛书6677版』

【阅前提示】本篇出自『数理化自学丛书6677版』，此版丛书是“数理化自学丛书编委会”于1963-1966年陆续出版，并于1977年正式再版的基础自学教材，本系列丛书共包含17本，层次大致相当于如今的初高中水平，其最大特点就是可用于“自学”。当然由于本书是大半个世纪前的教材，很多概念已经与如今迥异，因此不建议零基础学生直接拿来自学。不过这套丛书却很适合像我这样已接受过基础教育但却很不扎实的学酥重新自修以查漏补缺。另外，黑字是教材原文，彩字是我写的注解。

【山话嵓语】『数理化自学丛书』其实还有新版，即80年代的改开版，改开版内容较新而且还又增添了25本大学基础自学内容，直接搞出了一套从初中到大学的一条龙数理化自学教材大系列。不过我依然选择6677版，首先是因为6677版保留了很多古早知识，让我终于搞明白了和老工程师交流时遇到的奇特专业术语和计算模式的来由。另外就是6677版的版权风险极小，即使出版社再版也只会再版80年代改开版。我认为6677版不失为一套不错的自学教材，不该被埋没在故纸堆中，是故才打算利用业余时间，将『数理化自学丛书6677版』上传成文字版。 

第九章原子核的结构

【山话||  本系列专栏中的力单位达因等于10⁻⁵牛顿；功的单位尔格等于10⁻⁷焦耳；热量的单位卡路里等于4.186焦耳；电荷的单位静库（1库伦=3×10⁹静库）；电势的单位静伏等于300伏特。另外这套老教材中力的单位常用公斤、克等，但如今是不允许的，力是不能使用质量单位的。】  

§9-4原子的人为嬗变

【01】自从发现了天然放射性物质以后，人们开始知道，在自然界里有些元素的原子核能自发地进行嬗变。所谓嬗变，就是指一种原子变成了性质上不同的另一种原子的过程。这些事实给科学家们一个启发：有可能人为地将一种物质转变为另一种物质。于是科学家们就开始研究如何通过人为的方法使一些稳定元素的原子发生嬗变。他们曾在水银蒸气中进行高压放电，或者用阴极射线去射击氮气，但是都失败了。因为原子核是一个相当坚固的组织，要想使它内部结构发生变化就必须使用具有相当高能量的“炮弹”轰击它。后来他们终于想到利用由放射性元素发射出来的 α 粒子作为“炮弹”，由于 α 粒子是带电的粒子，所以用它来轰击重元素的原子核必然会遭到散射，但用它来轰击轻元素的原子核，击中原子核的可能性就大了。

【02】1919年，卢瑟福在用镭C'(RaC')原子所放出的具有 2×10⁷ 米/秒这样高速度的粒子作为“炮弹”来轰击氮气的时候，发现了一种新的粒子。后来通过分析才知道这个实验第一次实现了用人为的方法使原子发生嬗变。

【03】图9·8就是当时卢瑟福所用的实验装置示意图。其主要部分是一个密闭的容器 C，其中装有纯净的气体。同时在 C 室内有一个可以滑动的座架，其上放着 α 粒子的放射源(RaC') A，在 C 室的侧面上有一小窗，窗上贴着一层银箔 F，它的厚度是以恰好能吸收由室内 A 处射出的 α 粒子为准。（或者通过调整 AF 间的距离来做到这一点）窗外放一涂有硫化锌的荧光屏 S，显微镜 M 是用来观察 S 屏上的闪光的。

【04】当 C 室内装着纯净的氧气或者碳酸气时，S 屏上并没有闪光出现，这表示由 A 处发出的 α 粒子已被 F 箔所吸收。但是当 C 室内装着纯净的氮气时，虽然 α 粒子仍然不能穿过 F 箔，但在屏上却可以观察到闪光。卢瑟福认为，这些闪光是由于 C 室内的氮原子核在 α 粒子的轰击下发射出来的一种贯穿本领很强的新粒子所引起的。进一步的探测证明，这些新粒子就是氢原子核 ₁H¹  。我们把它叫做质子，它们在空气中的射程可以达到 40 厘米；而由镭C' 放出的 α 粒子在空气中的射程只有 7 厘米。

【05】根据玻尔的解释，氮原子核在 α 粒子的轰击下发生嬗变的过程分为两个阶段：第一阶段是快速的 α 粒子在击中靶核，₇N¹⁴ 后被靶核所俘获，形成了一个不稳定的复核 ₉F¹⁸（氟的不稳定同位素）；第二阶段是这个不稳定的复核在极短的时间内【不稳定的复核存在的时间约10⁻¹⁶秒】放出一个质子而嬗变成反冲核 ₈O¹⁷（氧的稳定同位素）。

【06】原子核由于受到外来的原因而引起的嬗变叫做核反应。卢瑟福实验中的核反应过程可以用下列的核反应方程来表示   。由于核反应过程也同样遵守电荷守恒定律和质量守恒定律，因此反应前后的电荷总数和质量总数保持不变。

【07】几年以后，科学家们发现，除了氧和碳以外，原子序数在 21 以下的轻元素的原子核，在 α 粒子的轰击下几乎都能产生类似的核反应。例如： （释放能量）； （释放能量）；（吸收能量） 。

【08】上述核反应方程还可以简写成 F¹⁹(α,p)Ne²²，Al²⁷(α,p)Si³º，Sc⁴⁵(α,p)Ti⁴⁸ 等。括号中前一个字母 α 表示入射的粒子是 α 粒子，后一字母 p 表示反应后放出的粒子是质子，括号前面的 F¹⁹、Al²⁷ 等表示受到轰击的靶核，括号后面的 Ne²²，Si³º 等表示复核放出质子后嬗变成的反冲核。通常我们就把这种核反应叫做 α-p 型核反应。

【09】α-p 型核反应在威耳逊云室里被探测到的机会是非常少的。有人曾经在充有 90% 氮气和 10% 氧气的威耳逊云室中，摄取了成千成万张 α 粒子的径迹照片，结果只在很少的照片上发现 α 粒子的径迹中有了“分叉”。图9·9就是其中的一张照片。分析证明，在发生“分叉”后形成的两条新的径迹中，细而长的一条是质子的径迹，粗而短的一条是新生成的反冲氧原子核的径迹。“分叉”的起点就是发生 α-p 型核反应的地方。